ess = A/(1 + Kp), A/Kv 또는 A/Ka를 적용하거나, 필요한 이득에 대해 풀이하세요.
감쇠나 속도 사양이 주어지면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζω_n·s + ω_n²과 대응시키세요.
2연습 문제
1.직류 전동기보통
직류 전동기(k = 0.4 N·m/A, Ra = 1.2 Ω)가 48 V에서 동작하며 부하 토크 0.8 N·m를 구동합니다. 속도 n을(를) rpm 단위로 구하시오.
V = 48 Vk = 0.4 N·m/ARa = 1.2 ΩT = 0.8 N·m
n = rpm
2.직류 전동기어려움
24 V에 연결된 타여자 직류 전동기(Ra = 0.25 Ω)가 전기자 전류 6 A에서 1200 rpm으로 회전합니다. 부하가 바뀌어 전류가 9 A가 되며 계자는 그대로입니다. 새 속도 n2을(를) 구하시오.
V = 24 VRa = 0.25 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 6 AIa2 = 9 A
n2 = rpm
3.기어와 기어열보통
1440 rpm으로 도는 7.5 kW 모터가 잇수 18개인 피니언을 구동하고, 피니언은 잇수 32개인 기어와 맞물려 있다. 손실은 무시한다. 기어 축의 출력 토크 T2을(를) 구하시오.
P = 7.5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 18N2 = 32η = 100%
T2 = N·m
4.기어와 기어열어려움
복합 기어열에서 입력축의 기어 A(잇수 18개)가 2900 rpm으로 돌며 기어 B(잇수 32개)를 구동한다. 기어 C(잇수 32개)는 B와 같은 축에 고정되어 출력축의 기어 D(잇수 60개)를 구동한다. 출력 속도 nout을(를) 구하시오.
nin = 2900 rpmA = 18B = 32C = 32D = 60
nout = rpm
5.데이터 수집과 표본화보통
기록 장치가 4개 채널을 각각 10 kHz로 24비트 ADC로 표본화합니다. 각 표본은 전체 바이트로 저장됩니다. 15분 기록에 필요한 메모리 M을(를) MB(1 MB = 10⁶ 바이트) 단위로 구하시오.
n = 4fs = 10 kHzN = 24t = 15 min
M = MB
6.데이터 수집과 표본화어려움
16비트 ADC가 모든 표본을 460800 baud, 8N1 형식(시작 비트, 데이터 비트 8개, 정지 비트 1개)의 UART로 계속 전송합니다. 각 표본은 2바이트로 전송되고 링크는 항상 사용 중입니다. 에일리어싱 없이 표본화할 수 있는 최고 신호 주파수 fmax을(를) Hz 단위로 구하시오.
baud = 460800 BdN = 168N1
fmax = Hz
7.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지보통
저항 500 Ω의 검류계가 그림의 브리지(Vs = 10 V)의 a와 b 사이에 연결되어 있습니다. a에서 b로 흐르는 검류계 전류 Ig을(를) µA 단위로 구하시오.
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 22/(s² + 6s + 44)이고 단위 계단 입력을 받는다. 고유 진동수 ωn을(를) rad/s로 구하시오.
G(s) = 22/(s² + 6s + 44)
ωn = rad/s
12.계단 응답어려움
질량 m = 20 kg이 스프링 k = 200 N/m과 점성 댐퍼 c = 38 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 10 N이 갑자기 가해진다. 변위가 가장 커지는 시간 tp을(를) 구하시오.
m = 20 kgk = 200 N/mc = 38 N·s/mF = 10 N
tp = s
3용액
1.직류 전동기
답: n = 1089 rpm
직류 전동기: 전기자는 저항 Ra와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + Ia·Ra입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·Ia입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·Ia = T·ω이고, 입력 전력은 V·Ia이며, 그 차이는 동손 Ia²Ra와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − Ra·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/Ra일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/Ra가 큽니다.
전기자 전류
Ia = T/k = 0.8/0.4 = 2 A
역기전력과 속도
E = 48 − 2·1.2 = 45.6 V
ω = E/k = 114 rad/s → n = 1089 rpm
답
n = 1089 rpm
2.직류 전동기
답: n2 = 1160 rpm
직류 전동기: 전기자는 저항 Ra와 역기전력 E가 직렬로 연결된 것이므로 V = E + Ia·Ra입니다. 역기전력은 속도에 비례하여 E = k·ω로 커지고, 토크는 전류에 비례하여 T = k·Ia입니다. SI 단위에서는 같은 전동기 상수 k(V·s/rad = N·m/A)를 씁니다. 속도는 ω = 2π·n/60으로 환산합니다. 발생 전력은 E·Ia = T·ω이고, 입력 전력은 V·Ia이며, 그 차이는 동손 Ia²Ra와 회전 손실이 만듭니다. 속도는 토크에 대해 직선으로 감소하며, ω = V/k − Ra·T/k²로 무부하 속도 V/k에서 정지 토크 k·V/Ra일 때 0이 됩니다. 정지 상태에서는 E = 0이므로 저항으로 제한하지 않으면 기동 전류 V/Ra가 큽니다.
변화 전후의 역기전력
E1 = 24 − 6·0.25 = 22.5 V
E2 = 24 − 9·0.25 = 21.75 V
새 속도
n2 = 1200·21.75/22.5 = 1160 rpm
답
n2 = 1160 rpm
3.기어와 기어열
답: T2 = 88.42 N·m
기어열: 맞물린 기어는 이에서의 속도가 같으므로 n₁·N₁ = n₂·N₂입니다. 잇수가 적은 기어가 더 빨리 돕니다. 같은 축에 있는 기어는 같은 속도로 돕니다. 동력은 (손실을 빼고) 그대로 전달되므로 속도가 줄면 토크가 커집니다: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, 그리고 P = T·ω, ω = 2π·n/60.
모터 토크
ω₁ = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/150.8 = 49.74 N·m
출력 토크
T2 = 49.74·32/18·1 = 88.42 N·m
답
T2 = 88.42 N·m
4.기어와 기어열
답: nout = 870 rpm
기어열: 맞물린 기어는 이에서의 속도가 같으므로 n₁·N₁ = n₂·N₂입니다. 잇수가 적은 기어가 더 빨리 돕니다. 같은 축에 있는 기어는 같은 속도로 돕니다. 동력은 (손실을 빼고) 그대로 전달되므로 속도가 줄면 토크가 커집니다: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, 그리고 P = T·ω, ω = 2π·n/60.
1단
nB = 2900·18/32 = 1631 rpm = nC
2단
nout = 1631·32/60 = 870 rpm
답
nout = 870 rpm
전체 기어비 = 3.333 : 1
5.데이터 수집과 표본화
답: M = 108 MB
데이터 전송률: 각 채널은 초당 fs개의 N비트 표본을 내보내므로 원시 전송률은 채널 수 × fs × N bit/s입니다. 메모리에서는 표본이 전체 바이트를 차지하므로(12비트 표본은 2바이트로 저장) 기록에 필요한 메모리는 채널 수 × fs × 표본당 바이트 수 × 시간입니다. 멀티플렉스 ADC는 채널을 차례로 변환합니다. (정착 시간을 포함한) 변환 한 번에 t가 걸리므로 n개 채널을 한 바퀴 도는 데 n·t가 걸리고, 각 채널은 1/(n·t)로 표본화됩니다.
표본당 바이트 수
⌈24/8⌉ = 3 B
바이트 전송률
4·10000·3 = 120000 B/s
메모리
M = 120000·900 = 1.08 × 10⁸ B = 108 MB
답
M = 108 MB
6.데이터 수집과 표본화
답: fmax = 11520 Hz
UART: 비동기 직렬 링크는 각 바이트를 프레임으로 보냅니다. 시작 비트 1개(low), 데이터 비트, 선택적 패리티 비트, 정지 비트 1~2개(high)입니다. 보율은 초당 비트 수이므로 한 비트는 Tb = 1/baud 동안 지속되고, n비트 프레임은 n/baud 동안 지속됩니다. 흔히 쓰는 8N1 형식은 바이트당 10비트입니다. 보율 발생기는 클록을 나눕니다: baud = fclk/(16·D)이며 D는 정수이므로 실제 보율은 목표값과 조금 다릅니다. 오차가 약 2 % 미만이면 보통 허용됩니다.
선로상의 표본당 비트 수
2·10 = 20 bit
최고 표본화율
fs,max = 460800/20 = 23040 Hz
나이퀴스트 한계
fmax = 23040/2 = 11520 Hz
답
fmax = 11520 Hz
7.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Ig = −1583 µA
휘트스톤 브리지: 두 개의 분압기가 하나의 전원 Vs를 공유합니다. 왼쪽 분압기 R1–R2는 Va = Vs·R2/(R1 + R2)를, 오른쪽 분압기 R3–R4는 Vb = Vs·R4/(R3 + R4)를 주며, 출력은 Vab = Va − Vb입니다. 브리지는 R1/R2 = R3/R4, 즉 R1·R4 = R2·R3일 때 평형(Vab = 0, 계기에 전류가 흐르지 않음)입니다. 출력 단자에서 보면 브리지는 Rth = R1∥R2 + R3∥R4인 테브난 전원입니다.
테브난 전압
Vth = 10·(80/680 − 250/1050) = −1.204 V
테브난 저항
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 261.1 Ω
검류계 전류
Ig = −1.204/(261.1 + 500) = −1583 µA
답
Ig = −1583 µA
8.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: σ = 14 MPa
스트레인 게이지: 게이지는 변형률에 따라 저항이 변합니다: ΔR/R = GF·ε이며, 게이지율 GF는 금속 박막에서 약 2입니다. 모든 변이 R로 같은 브리지에서 능동 게이지 하나(1/4 브리지)는 Vo ≈ Vs·GF·ε/4를 줍니다. 서로 인접한 변에 반대 변형률을 받는 능동 게이지 둘(1/2 브리지)은 Vs·GF·ε/2를, 넷(풀 브리지)은 Vs·GF·ε를 줍니다. 응력은 훅의 법칙 σ = E·ε에서 구합니다. 로드셀은 감도를 mV/V로 표기합니다. 이는 여기 전압 1 V당 정격 하중에서의 출력입니다.
변형률
ε = 4·0.0003/(3·2) = 0.0002
응력
σ = 70·10³ MPa·0.0002 = 14 MPa
답
σ = 14 MPa
9.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 15
정상상태 오차: 개루프 전달함수 G(s)인 단위 피드백 루프에서 오차는 E(s) = R(s)/(1 + G(s))이고, 최종값 정리에 의해 ess = lims→0 s·E(s)입니다. 시스템 형은 G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수입니다. 오차 상수는 Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s)이며 모두 s → 0에서의 극한입니다. 크기 A의 계단 입력은 ess = A/(1 + Kp), 램프 입력 A·t는 A/Kv, 포물선 입력 A·t²/2은 A/Ka를 줍니다. 0형 루프는 계단 입력을 유한한 오차로 추종하고, 1형 루프는 계단 입력을 정확히 추종하며 램프 입력은 유한한 오차로 추종합니다.
속도 상수
Kv = lim s·G(s) = 0.2
계단 성분
Kp = ∞ → estep = 0
램프 오차
ess = 3/0.2 = 15
답
ess = 15
10.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 3.126
P, PI, PID 제어: 제어기 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s는 오차에 작용합니다. 비례 이득은 루프를 빠르게 하고 0형 플랜트의 오차를 줄이지만 완전히 없애지는 못합니다. 적분 항은 s = 0에 극점을 추가합니다. 시스템 형이 하나 올라가고 계단 입력을 오차 없이 추종합니다. 미분 항은 감쇠를 더합니다. 이득을 정하려면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζωns + ωn²과 비교하세요. 그러면 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd이며 ωd = ωn√(1 − ζ²), ts ≈ 4/(ζωn)입니다.
특성다항식
s(s + 5) + 4K = s² + 5s + 4K
고유 진동수
2·0.707·ωₙ = 5 → ωₙ = 3.536 rad/s
이득
4K = ωₙ² = 12.5 → K = 3.126
답
K = 3.126
11.계단 응답
답: ωn = 6.633 rad/s
계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.
표준형과 비교하기
분모가 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 일치해야 합니다.
ωₙ² = 44 → ωₙ = 6.633 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6.633) = 0.4523
결과
ωₙ = 6.633 rad/s
답
ωn = 6.633 rad/s
12.계단 응답
답: tp = 1.042 s
계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.